門式剛架輕型鋼結構廠房基礎的設計

文/白穎 廊坊新奧泛能網絡科技服務有限公司 河北廊坊 065000

隨著當前建筑行業的飛速發展，鋼結構越來越多的應用于建筑之中，在鋼結構之中，門式剛架輕鋼結構表現尤為出色。目前,輕型鋼結構廠房以其外形美觀，施工進度快且綜合造價低等優勢，門式剛架輕鋼結構在工業廠房中廣泛使用。隨著門式剛架結構設計和施工技術的日益成熟，其在工業廠房中有廣闊應用前景。設計師要與時俱進，掌握最新設計理念，設計出經濟、合理、安全、環保的門式剛架結構廠房。

1、門式剛架的結構形式

門式剛架的結構形式多種多樣。按構件體系分，有實腹式與格構式；實腹式剛架的橫截面一般為H型，少數為Z型；格構式的橫截面為矩形或三角形；按橫截面組成分，有等截面與變截面。按結構選材分，有普通型鋼、薄壁型鋼、鋼管或鋼板焊成。

2、門式剛架結構的特點及基礎的受力特點

與傳統的單層廠房相比，這種結構的特點有：便于拆遷，可用于臨時建筑，這是其突出的特征。屋面板采用壓型鋼板輕型屋面、由于屋面輕了，支承它的結構也很輕。至于外墻，用磚墻對隔熱和降低造價有利，但對結構的側移要求較嚴，外觀也較差，因此還是用鋼墻板者居多。剛架可采用變截面，截面與彎矩成正比。除腹板高度變化外，厚度也可根據需要變化，上下翼緣可用不同截面，相鄰單元的翼緣也可采用不同截面，充分做到材盡其用。剛架的腹板可按有效寬度設計，允許失穩并可利用屈曲后強度。這樣，腹板的高厚比可做得比按現行《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》規定的大,即腹板厚度可比一般鋼構件薄,可做得很輕便。由于構件輕，支撐用張緊的圓鋼即可滿足要求，因腹板允許失穩，可將支撐直接連在腹板上，省去很多節點板。

對門式剛架輕鋼結構工業廠房來說,以下因素往往決定了基礎的受力特點：廠房設有多臺吊車,有時吊車噸位較大,橫向水平位移較難控制,要求橫向柱腳剛接；縱向水平荷載由柱向支撐承受,故縱向柱腳多為鉸接。由于鋼結構自振周期較長,而結構自重較輕,水平地震作用相對較小,水平控制荷載多為風荷載加吊車水平制動荷載。結構重量輕,風荷和吊車水平制動荷載相對較大,造成基礎偏心較大,一般最大偏心距可達1.5～2.5m左右。

3、門式剛架輕型鋼結構廠房基礎設計

3.1 基礎形式的選擇研究

由于以上受力特點及設計要求,對于有吊車的工業廠房,工程設計中通常采用剛性柱腳。該柱腳形式可以提高廠房整體剛度,從而減少側移。但這樣一來,基礎一般作用有較大彎矩,這個問題在門式剛架輕型鋼結構體系中尤為明顯。由于自重輕(如前所述),水平荷載與豎向荷載比較較大,在風荷載及吊車荷載的共同作用下,廠房邊列柱底荷載偏心距較大。根據工程設計經驗,偏心距一般在1.0m左右,有時甚至達到1.5～2.5m。根據以上分析,按常規的單獨基礎設計,基礎的寬度將達到6～12m,這在實際工程中是難以接受的,通過研究分析,可以采用以下方法加以解決。

3.1.1 增加基礎壓重

對于剛接柱腳,基礎則要受到偏心荷載的作用,偏心距e為：

e=(M+V·h)/N+G,在柱腳內力(M,N,V)和基礎形式(b,h)已確定的情況下,增加基礎壓重G是減少e的較好措施,實際工程中通常有兩種方法可以操作：廠房設底部加重墻,一般為粘土磚,并使其重量通過地基梁傳到基礎上。設墻高為H(一般為基礎頂面至窗臺的高度),厚為D,柱距為L,墻體磚容重為r,則每個基礎因此而增加的重量G′為：G′=(H·L·D·r)/2。

一般跨度L=6～9m,D=370～620mm,H=2.0～3.0m,r≈20kN/m3,可得G′=50～180kN,而N值的數量級在100～1000kN范圍變化。可見,若能充分利用圍護墻重,不失為減少基礎偏心距的好辦法，但此法往往受墻體材料、墻高及建筑主面要求限制。

增加基礎埋置深度：增加基礎埋深對基礎設計來說,變化有兩個,其一使考慮深度修正后的地基承載力特征值fa增大,但這對受偏心矩控制的基礎來說無關緊要。其二是基礎底面以上壓重增大,這對降低偏心距e來說是有利的。實際工程設計中要通過增加基礎埋深來降低偏心矩可以有兩種做法,一是保持柱底標高不變,即通過增加基礎高度h來實現。顯然用這種方法來增加G并非經濟之舉,并且增加h同時會增大由柱腳水平剪力V引起的附加彎矩V·h。另一種做法是降低柱底標高而使h不變,該方法使剛架柱長度加大,又會使柱腳的反力增加(特別是M值),同時使剛架用鋼量和基礎工程量增加。所以,通過增加基礎埋置深度來降低偏心矩e的做法,在e的一定范圍內是有效的,在設計中要綜合考慮,全面衡量。

3.1.2 采用偏心基礎

此方法只適用于偏心矩e較小的情況下,此原理就是使基礎本身受力偏心,相當于針對較大的M增加一個反向的彎矩M′=Ne′,使基礎滿足設計要求。此種基礎形式在工程設計中較少采用,一般若吊車噸位不太大,可以考慮采用柱下偏心基礎形式,但此時為保證基礎不致過分傾斜,基礎與基底土接觸不脫離,基礎底面偏心矩必須滿足：

式中：Mmax為單方向計算水平荷載時,邊柱柱腳處的最大彎矩值；Mmin為單方向計算水平荷載時,對應柱腳處的最小彎矩值；N、V、G分別為相應的軸力,剪力和壓重。偏心基礎一般可以減少基礎尺寸,但對噸位較大的吊車廠房該方法應謹慎使用。

3.1.3 采用樁基礎

對于大偏心距基礎,當采用以上方法不能解決時,在地基土允許的情況下可以考慮樁基礎.常用的樁種類較多,除碎石樁、壓孔樁和灌注樁外,應用較多的為預制鋼筋砼。但采用樁基不僅增加了設計施工的復雜性,而且造價往往較高。因此,此方法是門式剛架輕型鋼結構廠房基礎設計中最后不得已采用的基礎形式。

結語：

在鋼結構建筑中應用門式剛架結構，能夠實現建筑結構輕量化，使施工成本降低、施工效率提升、為施工質量提供保證，使建筑結構性能得到提高。為促進該結構應用水平的提升，面對其設計和應用中存在的問題，需要對其進行深入分析，應用合理方式以提高其設計水平，為鋼結構發展奠定良好基礎。